我國(guó)礦山采空區(qū)綜合治理研究綜述

周逸文，張 濤，段隆臣，李建文

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院，湖北 武漢 430074；2.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100013)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速增長(zhǎng)，自然資源需求不斷擴(kuò)大，極大地推動(dòng)了我國(guó)礦山企業(yè)的快速發(fā)展。礦山企業(yè)對(duì)礦產(chǎn)資源的開(kāi)采規(guī)模逐年增加，而開(kāi)采過(guò)程中形成了大量的采空區(qū)。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，截至2015年年底，全國(guó)地下礦山開(kāi)采共形成12.8億m3的采空區(qū)，分布在28個(gè)省(市、區(qū))[1]。大量的采空區(qū)如得不到合理處置，將會(huì)在礦山及其附近區(qū)域留下嚴(yán)重的安全隱患。礦山采空區(qū)引起的主要災(zāi)害有巷道頂板冒頂、井下突水、礦山地震以及礦區(qū)地面塌陷，通常會(huì)造成重大安全事故的發(fā)生[2-4]。國(guó)家安全監(jiān)管部門(mén)高度重視礦山生產(chǎn)安全，礦山安全整治工作得到了積極的開(kāi)展，安全問(wèn)題得到了有效的控制，礦山采空區(qū)治理也得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。

由于我國(guó)礦山采空區(qū)分布廣泛、存量大、類(lèi)型豐富，不同成因的采空區(qū)特點(diǎn)不同，引起的安全問(wèn)題也不盡相同，因此礦山采空區(qū)治理非常困難，需要系統(tǒng)地開(kāi)展綜合治理工作[3-5]。礦山采空區(qū)治理主要包括采空區(qū)探測(cè)、采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和采空區(qū)處置3個(gè)方面內(nèi)容。近年來(lái)，為了契合國(guó)家生態(tài)環(huán)境可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的需求，膠結(jié)充填法以能夠?qū)⒐腆w廢棄物資源化利用的特點(diǎn)成為處理礦山采空區(qū)最常用的方法。但是，傳統(tǒng)的膠結(jié)充填法常以水泥為膠凝材料，存在成本高、固廢物利用率低、采空區(qū)處置效果不顯著等問(wèn)題。因此，為了部分或完全替代水泥，研發(fā)成本低、性能優(yōu)良且能夠充分消納固廢物的新型膠凝材料，成為了國(guó)內(nèi)外學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)[6-9]。本文針對(duì)我國(guó)礦山采空區(qū)治理現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，在分析我國(guó)礦山采空區(qū)類(lèi)型特點(diǎn)和存在的安全隱患的基礎(chǔ)上，綜述了現(xiàn)有礦山采空區(qū)治理的主要手段，系統(tǒng)性介紹了礦山采空區(qū)探測(cè)、采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)、采空區(qū)處置技術(shù)以及礦山采空區(qū)充填方法和充填材料的應(yīng)用狀況，明確了現(xiàn)有的礦山采空區(qū)處置技術(shù)存在的局限性，并對(duì)其挑戰(zhàn)和機(jī)遇進(jìn)行了展望。

1 我國(guó)礦山采空區(qū)治理現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題

1. 1 礦山采空區(qū)類(lèi)型

礦山采空區(qū)是指地下礦產(chǎn)被采出后留下的空洞，不同成因條件的采空區(qū)形態(tài)和特征各異。根據(jù)礦山采空區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)的不同，我國(guó)礦山采空區(qū)大致可分為以下幾種類(lèi)型，見(jiàn)表1[3-5,10]。

表1 礦山采空區(qū)劃分標(biāo)準(zhǔn)及其類(lèi)型[3-5,10]

我國(guó)老礦山采空區(qū)的資料少、形態(tài)不清、狀況不明、邊界難尋，治理難度最大[11]；充水采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性差、坍塌風(fēng)險(xiǎn)大，而且易誘發(fā)突水、透水事故[11-12];急傾斜采空區(qū)比水平及緩傾采空區(qū)瞬時(shí)地表變形大，地表殘余變形的下沉速度呈“波浪”式變化[13];采空區(qū)群面積大、體積大、空間錯(cuò)綜復(fù)雜，穩(wěn)定狀態(tài)一直處于動(dòng)態(tài)變化之中[4];短壁式采空區(qū)包括空?qǐng)龇ㄩ_(kāi)采采空區(qū)、條帶式開(kāi)采采空區(qū)，一般由留置礦柱支撐頂板，整體穩(wěn)定性相對(duì)較好[4,14];長(zhǎng)壁式采空區(qū)頂板暴露面積較大，容易在地表產(chǎn)生沉陷盆地，引起大面積的地表變形[10,13,15]。

綜上所述，礦山不同類(lèi)型采空區(qū)的空間特征、周?chē)鷰r體的變形破壞規(guī)律以及沉陷機(jī)理均不相同，因此針對(duì)礦山不同類(lèi)型的采空區(qū)，需要采取專(zhuān)門(mén)的分析方法和治理方案。

1. 2 礦山采空區(qū)工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題

未處置的礦山采空區(qū)是礦山生產(chǎn)的重要安全隱患，也會(huì)引起工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題。引發(fā)采空區(qū)安全問(wèn)題的原因主要是采空區(qū)失穩(wěn)、采空區(qū)積水和采空區(qū)有毒有害氣體聚集等[2-4,10-18]。本文歸納了礦山采空區(qū)相關(guān)的工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題，見(jiàn)表2。

表2 礦山采空區(qū)工程安全和生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題[2-4,10-18]

1.2.1 工程安全問(wèn)題

采空區(qū)失穩(wěn)是產(chǎn)生礦區(qū)地壓災(zāi)害的根本原因。在礦山開(kāi)采過(guò)程中，由于破壞了采空區(qū)原有的平衡狀態(tài)，可能會(huì)誘發(fā)巷道頂板冒落、圍巖片幫和底板隆起，影響正常的生產(chǎn)活動(dòng)。當(dāng)頂板出現(xiàn)大面積突然垮落時(shí)，崩落的圍巖會(huì)在巷道中產(chǎn)生巨大的氣浪沖擊波，會(huì)對(duì)人員和設(shè)備造成巨大的傷害，還可能會(huì)誘發(fā)礦震，嚴(yán)重威脅礦區(qū)整體的穩(wěn)定性[2-4]。如圖1所示，當(dāng)埋深較淺的采空區(qū)頂板垮落時(shí)，如果裂隙帶和彎曲帶發(fā)展到地表則會(huì)引起地面大范圍的沉降、地裂縫以及坍塌坑，危害地表基礎(chǔ)設(shè)施的使用并破壞地基穩(wěn)定性。同時(shí)，采空區(qū)域沉降穩(wěn)定時(shí)間周期較長(zhǎng)，將會(huì)導(dǎo)致地面土地失去建設(shè)利用價(jià)值。

圖1 礦山采空區(qū)地表沉陷示意圖[10,15,19-20]Fig.1 Diagram of surface subsidence above goaf[10,15,19-20]

采空區(qū)積水是導(dǎo)致工程透水和突水安全事故的重要原因[2,11]，積水會(huì)軟化圍巖，使含水采空區(qū)失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)增大。

采空區(qū)有毒有害氣體聚集導(dǎo)致的工程安全問(wèn)題主要出現(xiàn)在煤炭和硫化礦石的采空區(qū)。煤炭采空區(qū)的遺煤和含硫礦床的硫礦石氧化或自燃會(huì)釋放大量的有毒有害氣體，在采礦及施工過(guò)程中，若巷道通風(fēng)不足或工作面有毒有害氣體突出，易誘發(fā)人員中毒窒息、采空區(qū)火災(zāi)和爆炸等安全事故[2,17-18]。

1.2.2 生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題

礦山采空區(qū)生態(tài)環(huán)境安全問(wèn)題是指由礦山采空區(qū)引起的礦區(qū)地質(zhì)災(zāi)害、環(huán)境污染、人居功能破壞等一系列生態(tài)環(huán)境問(wèn)題。

采空區(qū)失穩(wěn)會(huì)導(dǎo)致地面塌陷、地表開(kāi)裂、山體滑坡等地質(zhì)災(zāi)害[16]。如圖2所示，礦山采空區(qū)地面塌陷會(huì)破壞地表植被，損毀地表建筑、管道線路和道路交通等，而且隨著地表的破壞，荒漠化、鹽堿化和沼澤化等生態(tài)環(huán)境問(wèn)題也將加劇。除此之外，當(dāng)采空區(qū)上部覆巖裂隙聯(lián)通到地表時(shí)，會(huì)形成與地表水和空氣傳導(dǎo)的通道，為采空區(qū)水的補(bǔ)給和排泄提供通道，并為采空區(qū)礦石氧化提供氧氣，將可能誘發(fā)涌水潰砂和火災(zāi)等安全事故[12,17]。

圖2 礦山采空區(qū)地表塌陷引起的生態(tài)環(huán)境危害[21]Fig.2 Eco-environmental hazards caused by surface subsidence in mine goaf[21]

礦山采空區(qū)水的補(bǔ)給來(lái)源豐富且賦存時(shí)間長(zhǎng)，水中存在大量的化學(xué)污染物和微生物，當(dāng)采空區(qū)與外部空間相連形成傳導(dǎo)通道時(shí)，污染水可能滲入到采空區(qū)周?chē)暮畬雍团湃敫浇恿髦校瑢?huì)嚴(yán)重危害采空區(qū)周?chē)鷧^(qū)域的生態(tài)環(huán)境安全和居民飲水安全[17-18,22]。

對(duì)于礦山采空區(qū)的有毒有害氣體，當(dāng)采空區(qū)周?chē)鷰r體的裂隙與地表形成通道時(shí)，有毒有害氣體以及攜帶的煙塵可能會(huì)涌出地面，嚴(yán)重威脅周?chē)鷧^(qū)域大氣環(huán)境質(zhì)量和居民生命安全。

2 礦山采空區(qū)探測(cè)

我國(guó)礦山地下采空區(qū)具有整體可見(jiàn)性差、隱蔽性強(qiáng)、分布范圍廣、規(guī)模大小各異、規(guī)整性差以及空間分布規(guī)律差等特點(diǎn)，部分采空區(qū)互相連通構(gòu)成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的采空區(qū)群[3-5]。因此，為了能夠更準(zhǔn)確地了解礦山采空區(qū)的賦存狀態(tài)，選擇有效的探測(cè)手段對(duì)未知采空區(qū)狀況進(jìn)行勘查以及對(duì)已知采空區(qū)進(jìn)行測(cè)量是治理礦山采空區(qū)的前提。

2. 1 礦山采空區(qū)勘查

2.1.1 采空區(qū)調(diào)查

礦山采空區(qū)調(diào)查主要通過(guò)收集采礦的相關(guān)資料和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查，初步確定采空區(qū)大致的位置和規(guī)模，為后續(xù)的詳勘、穩(wěn)定性分析和治理方案制訂提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[23]。資料收集主要針對(duì)勘查區(qū)域的地質(zhì)圖件、采礦相關(guān)圖件和衛(wèi)星圖片等;現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地調(diào)查主要包括工程地質(zhì)條件、采礦情況、采空區(qū)性質(zhì)、地面構(gòu)(建)筑物分布情況調(diào)查以及地表變形監(jiān)測(cè)等。根據(jù)采空區(qū)調(diào)查的結(jié)果可以大致掌握采空區(qū)情況、確定采空區(qū)范圍，有助于后續(xù)勘探工作的科學(xué)布置，從而降低勘查工作量和成本。

2.1.2 工程鉆探技術(shù)

工程鉆探[2,3,12,24]主要利用鉆探設(shè)備通過(guò)鉆孔進(jìn)行探測(cè)，是一種準(zhǔn)確性高、針對(duì)性強(qiáng)的礦山采空區(qū)勘探方法。工程鉆探方法的優(yōu)點(diǎn)是能夠直接通過(guò)鉆鉆進(jìn)難度、沖洗液漏失情況以及巖芯巖性、采取率、強(qiáng)度等特性，有效了解地下采空區(qū)內(nèi)部填充物和外部巖體的情況，也能夠確定布孔處采空區(qū)的頂板位置和高度，可用于驗(yàn)證物探數(shù)據(jù)和已有材料的有效性，并可為孔內(nèi)物探、孔內(nèi)電視等物探方法提供通道。但該方法存在耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)、工作量較大、成本高，而且無(wú)法探明大范圍礦山采空區(qū)等局限性。

2.1.3 工程物探技術(shù)

工程物探技術(shù)是探測(cè)采空區(qū)最為重要的技術(shù)手段之一，可用于大范圍的礦山采空區(qū)勘探，在國(guó)內(nèi)外已有廣泛的應(yīng)用。礦山采空區(qū)地面常用的工程物探技術(shù)主要包括直流電法、電磁法、地震法和其他方法4種類(lèi)型，常用的物探方法見(jiàn)表3[3,5,10,24-29]。其中，高密度電阻率法是在電剖面法和電測(cè)深法技術(shù)相結(jié)合的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)，具有剖面測(cè)量和測(cè)深的功能，其工作原理與傳統(tǒng)電阻率法基本相同，但是測(cè)量精度、工作效率都有較大的提升[11-12];瞬變電磁法是目前應(yīng)用最廣泛的電磁物探方法，其基本原理是向地下發(fā)射地磁脈沖激發(fā)地質(zhì)體產(chǎn)生二次場(chǎng)，通過(guò)分析二次場(chǎng)的衰變特征，判斷采空區(qū)的特征和位置[25-26]；微動(dòng)測(cè)量法是一種新興的工程物探技術(shù)，已在軌道交通下伏采空區(qū)以及煤礦采空區(qū)陷落柱探測(cè)方面有所應(yīng)用，其工作原理是利用采集天然場(chǎng)源的微動(dòng)信號(hào)提取瑞雷波信息，通過(guò)地質(zhì)體與周?chē)橘|(zhì)的波速差異來(lái)探測(cè)采空區(qū)[27-28]。

表3 礦山采空區(qū)主要工程物探技術(shù)對(duì)比[3,5,10,11,24-29]

不同工程物探技術(shù)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和局限性，選擇合適的采空區(qū)探測(cè)方法對(duì)于某一實(shí)際礦山采空區(qū)治理工程是十分重要的。實(shí)際的采空區(qū)探測(cè)過(guò)程中，遇到的采空區(qū)通?？臻g形態(tài)十分復(fù)雜，單一的探測(cè)方法無(wú)法滿(mǎn)足探測(cè)采空區(qū)的需求，可以使用不同工程物探技術(shù)相結(jié)合的方法來(lái)彌補(bǔ)各自的不足。例如城市地下采空區(qū)的探測(cè)，為了避免噪聲擾民、破壞地表以及提高探測(cè)精度，可綜合利用無(wú)損、快速的高密度電阻率法和瞬時(shí)電磁法的組合來(lái)進(jìn)行工程勘察。雖然高密度電阻率法由于體積效應(yīng)而精度不高，但是利用它獲取地層信息量大的特點(diǎn)可較為容易地圈定采空區(qū)的大致范圍，再利用瞬變電磁法具有精度高、抗干擾能力強(qiáng)以及能夠探測(cè)含水地質(zhì)體等優(yōu)勢(shì)，可以快速確定采空區(qū)的形態(tài)、位置以及含水狀態(tài)，有助于軌道交通的安全施工和礦山采空區(qū)治理[5,24]。由此可見(jiàn)，采用多種工程物探技術(shù)的綜合探測(cè)是現(xiàn)階段礦山采空區(qū)最為理想的物探方式[29]。

2. 2 礦山采空區(qū)測(cè)量

礦山采空區(qū)的探測(cè)手段包括勘探和測(cè)繪方法，一般通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、鉆探和物探方法進(jìn)行探測(cè)，便可滿(mǎn)足礦山采空區(qū)治理的需要。但對(duì)于大型礦山且條件復(fù)雜的采空區(qū)治理工程，為了更準(zhǔn)確地掌握礦山采空區(qū)的形狀、大小和變化規(guī)律，僅靠地質(zhì)調(diào)查、物探和鉆探等勘查方法是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。因此，學(xué)者們提出通過(guò)勘探鉆孔的孔內(nèi)電視法測(cè)試[30]、孔內(nèi)地震測(cè)試[31]、孔內(nèi)窺視[32]或三維激光掃描法[33]等對(duì)采空區(qū)賦存狀態(tài)進(jìn)行高精度的定量化測(cè)量分析，以為后續(xù)的穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)、工程設(shè)計(jì)與施工提供依據(jù)。其中，三維激光掃描法作為先進(jìn)的測(cè)繪技術(shù)已在礦山領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，該方法是一種三維空間影像技術(shù)，主要通過(guò)三維激光掃描儀掃描周?chē)h(huán)境來(lái)快速獲取精度較高的全景空間的點(diǎn)云數(shù)據(jù)(見(jiàn)圖3)，并經(jīng)計(jì)算機(jī)軟件處理后，能夠構(gòu)建出最大限度還原真實(shí)環(huán)境的三維空間模型[29,33-34]。相比于傳統(tǒng)的采空區(qū)測(cè)繪方法，非接觸式測(cè)量的三維激光掃描法工作效率高、安全性高，可獲取的空間數(shù)據(jù)精度高，并且掃描儀有豐富的數(shù)據(jù)接口有助于后期各類(lèi)軟件對(duì)坐標(biāo)數(shù)據(jù)的處理，具有良好的應(yīng)用前景[12,35]。根據(jù)測(cè)量方式的不同，三維激光掃描法可分為架站式、延伸桿式和無(wú)人機(jī)三維激光掃描方法[33,36]。常用的三維激光掃描裝備有國(guó)外公司生產(chǎn)的CMS空區(qū)探測(cè)系統(tǒng)、C-ALS空區(qū)激光探測(cè)系統(tǒng)以及國(guó)內(nèi)的BLSS-PE型礦用三維激光掃描儀等[12,35,37]。因此，礦山采空區(qū)治理過(guò)程中，需根據(jù)采空區(qū)的復(fù)雜特點(diǎn)和治理工程的重要性，選擇適宜的探測(cè)方法。尤其是對(duì)于大型礦山、條件復(fù)雜的采空區(qū)治理工程，可以結(jié)合三維激光掃描法和多種探測(cè)手段共同對(duì)采空區(qū)進(jìn)行高精度測(cè)繪，實(shí)現(xiàn)對(duì)礦山采空區(qū)的可視化和動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，為礦山開(kāi)采、采空區(qū)安全管理以及后續(xù)的治理工作提供重要的依據(jù)。

圖3 通過(guò)三維激光掃描儀獲取的空間點(diǎn)云數(shù)據(jù)[34]Fig.3 Spatial point cloud data obtained by 3D laser scanner[34]

3 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3. 1 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素

礦山采空區(qū)失穩(wěn)是多因素綜合作用的結(jié)果，因此需要對(duì)影響礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的因素進(jìn)行分析。國(guó)內(nèi)外學(xué)者將礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的影響因素歸納為地質(zhì)因素、水文因素、力學(xué)因素、采空區(qū)形態(tài)因素和工程環(huán)境因素5大類(lèi)，見(jiàn)表4[4,12,38-46]。其中，地質(zhì)因素與巖體組成、結(jié)構(gòu)、力學(xué)性質(zhì)緊密相關(guān)，是影響巖體穩(wěn)定性的最基本因素[42]；水文因素是指地下水與圍巖之間發(fā)生的物理化學(xué)和力學(xué)作用，是影響圍巖穩(wěn)定性的重要因素[43-44];采空區(qū)形態(tài)因素是指采空區(qū)形態(tài)和整體結(jié)構(gòu)對(duì)采空區(qū)穩(wěn)定性的影響，采空區(qū)形態(tài)也是構(gòu)建與分析采空區(qū)數(shù)值模型的基本條件[43-46]；工程環(huán)境因素[43-44]是指采空區(qū)內(nèi)及其周?chē)墓こ袒顒?dòng)對(duì)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性的影響，是影響礦山生產(chǎn)安全、采空區(qū)群治理質(zhì)量的重要因素。

表4 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素及評(píng)價(jià)指標(biāo)[4,12,38-46]

3. 2 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法

礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)是基于對(duì)礦山采空區(qū)上覆巖層移動(dòng)破壞規(guī)律、圍巖應(yīng)力分布規(guī)律、關(guān)鍵巖體穩(wěn)定性以及地表變形破壞規(guī)律等的分析，利用相關(guān)方法對(duì)礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)的過(guò)程。結(jié)合上述礦山采空區(qū)穩(wěn)定性影響因素的分析，將礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法主要分為理論分析法、預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法和模擬法3類(lèi)，見(jiàn)表5[4,13,43]。其中，理論分析法和預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法是礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的常規(guī)方法[4,38,43-44];模擬法是利用物理相似模型和數(shù)值軟件對(duì)礦山采空區(qū)圍巖的應(yīng)力、應(yīng)變、位移進(jìn)行仿真模擬，通常將該方法與理論分析和預(yù)測(cè)模型相結(jié)合來(lái)對(duì)礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，這是目前最為全面的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法，也是未來(lái)礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)的發(fā)展趨勢(shì)[47-48]。

表5 礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法分類(lèi)[4,13,43]

常用的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，其中突變理論[43,49-50]是一種可以定量描述地質(zhì)體非線性力學(xué)行為的理論，適用于采空區(qū)突然失穩(wěn)臨界狀態(tài)的計(jì)算，其優(yōu)點(diǎn)是能夠定量或定性地評(píng)價(jià)礦山采空區(qū)失穩(wěn)的過(guò)程，但是目前該理論只能應(yīng)用于簡(jiǎn)單的地質(zhì)力學(xué)模型；基于層次分析(AHP)法的模糊綜合評(píng)價(jià)法適用于礦山采空區(qū)穩(wěn)定分級(jí)評(píng)價(jià)，其優(yōu)點(diǎn)是能夠?qū)?fù)雜采空區(qū)的隨機(jī)性、模糊性問(wèn)題進(jìn)行綜合的定量描述，適合對(duì)礦山采空區(qū)穩(wěn)定性進(jìn)行分級(jí)評(píng)價(jià)，但是該方法在選擇礦山采礦區(qū)穩(wěn)定性影響因素以及專(zhuān)家打分方面，存在主觀性較強(qiáng)的問(wèn)題[38-39,41,43,51]；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬人腦神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)行為的數(shù)學(xué)模型，適合用于礦山采空區(qū)穩(wěn)定性預(yù)測(cè)，其具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力、高效的解決問(wèn)題能力等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在算法設(shè)計(jì)復(fù)雜、無(wú)法解釋推理過(guò)程、需要大量的樣本數(shù)據(jù)才能有效預(yù)測(cè)等問(wèn)題[40,43,52-53]。

綜上，理論分析法更偏向于經(jīng)驗(yàn)計(jì)算，對(duì)于賦存條件復(fù)雜的采空區(qū)，多種因素作用對(duì)圍巖穩(wěn)定性影響機(jī)制的研究還有待深入；預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)法的預(yù)測(cè)結(jié)果存在一定的主觀性和隨機(jī)性，如何優(yōu)化預(yù)測(cè)模型、提升預(yù)測(cè)精度和保證結(jié)論的客觀性是后續(xù)研究的重要方向；模擬法研究問(wèn)題通常會(huì)對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算，如何提高計(jì)算速度以及構(gòu)建與實(shí)際情況相符合的復(fù)雜地質(zhì)模型對(duì)礦山采空區(qū)穩(wěn)定性分析具有重大意義[48,54]。在實(shí)際工程中，考慮到研究區(qū)域內(nèi)地質(zhì)條件的復(fù)雜性以及影響采空區(qū)穩(wěn)定性的諸多因素，為了保證研究結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要以數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)綜合各種力學(xué)理論以及預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)方法，全面掌握礦山采空區(qū)圍巖的應(yīng)變、應(yīng)力狀態(tài)和穩(wěn)定性情況，建立一套有效的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)體系，從而指導(dǎo)采空區(qū)的治理工作。

4 礦山采空區(qū)處置技術(shù)

礦山采空區(qū)治理是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，不僅要制定周密合理的治理方案，還要協(xié)調(diào)好與礦山生產(chǎn)、工程建設(shè)以及地表環(huán)境的關(guān)系。目前我國(guó)礦山工程中常用的采空區(qū)處置技術(shù)或方法主要有崩落圍巖法、封閉隔離法、支撐加固法和充填法等，各種方法的特點(diǎn)和適用條件見(jiàn)表6[3,12,19,44,55-57]。

表6 我國(guó)礦山采空區(qū)處置方法及其特點(diǎn)和適用條件[3,12,19,44,55-57]

4. 1 崩落圍巖法

崩落圍巖法處理采空區(qū)是指利用崩落采空區(qū)頂板及上盤(pán)圍巖來(lái)充填采空區(qū)或形成一定厚度的緩沖保護(hù)墊層，從而達(dá)到改善井下圍巖應(yīng)力狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)地壓的有效控制以及減少頂板冒落產(chǎn)生氣流危害的目的[44]。崩落圍巖法又分為自然崩落法和強(qiáng)制崩落法，其中自然崩落法是對(duì)頂板拉底、側(cè)幫做切割后，讓頂板在自重和上覆巖層的壓力作用下自然崩落；強(qiáng)制崩落法是利用爆破技術(shù)強(qiáng)制崩落頂板巖層。崩落圍巖法具有處理成本低、治理效率高、工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，但是由于其處理過(guò)程會(huì)產(chǎn)生地表沉降，因此只適合用于允許地表塌陷的礦山采空區(qū)。

4. 2 封閉隔離法

封閉隔離法處理采空區(qū)是指封閉采空區(qū)，利用隔離墻或構(gòu)造一定厚度的緩沖層將主生產(chǎn)區(qū)與采空區(qū)進(jìn)行隔離，可避免冒落產(chǎn)生的沖擊波危及主生產(chǎn)區(qū)的人員和設(shè)備的安全，同時(shí)能改善井下通風(fēng)環(huán)境，減少漏風(fēng)量[56]。封閉隔離法具有處理成本低、工程量少、施工周期短等優(yōu)點(diǎn)，但是該方法不能消除采空區(qū)，將不利于礦山后期回采，而且無(wú)法控制地表變形，因此在使用封閉隔離法處置采空區(qū)時(shí)，還需要配合其他方法來(lái)控制圍巖移動(dòng)。

4. 3 支撐加固法

支撐加固法處理采空區(qū)是指設(shè)立永久礦柱或人工礦柱對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行支撐以及利用錨索或錨桿對(duì)采空區(qū)頂板進(jìn)行加固[3,12,19]。支撐加固法包括加強(qiáng)礦柱、設(shè)立人工礦柱和頂板加固等方法。該方法具有技術(shù)簡(jiǎn)單高效、安全性高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于緩傾斜、地表允許塌陷、頂板比較穩(wěn)定的采空區(qū)，但是該方法處理成本較高、工程量大，僅能暫時(shí)改善采空區(qū)地壓狀況，無(wú)法真正保障頂板的穩(wěn)定性，因此為了解決采空區(qū)的穩(wěn)定性問(wèn)題，還需要與其他方法聯(lián)合使用。

4. 4 充填法

充填法處理采空區(qū)是指以充填料來(lái)填充采空區(qū)的方法。在實(shí)際應(yīng)用中，通過(guò)利用充填料建立充填系統(tǒng)，再通過(guò)采空區(qū)的鉆孔或天井將材料自流或壓力充填至井下采空區(qū)，形成具有一定強(qiáng)度、整體性的充填體[3,4,7,57]。膠結(jié)或堆積形成的充填體雖不能夠完全消除采空區(qū)圍巖的變形和破壞，但是可以改善巖體應(yīng)力的分布效果，減少采空區(qū)頂板冒落的風(fēng)險(xiǎn)，很大程度地限制了上覆巖層的移動(dòng)和自由發(fā)展，從而達(dá)到控制地壓和控制地表塌陷的目的。充填法雖然存在投資大、充填工藝較為復(fù)雜等缺點(diǎn)，但是由于其處理適用范圍廣、充填密實(shí)、控制圍巖移動(dòng)的效果好，而且大量利用固體廢物進(jìn)行充填還能解決環(huán)境污染和固體廢物資源化[7-9,58-60]等問(wèn)題，因此仍是處置采空區(qū)最為重要的方法和研究重點(diǎn)，將在下面做重點(diǎn)介紹。

綜上所述，礦山采空區(qū)每種處置方法都有其各自的優(yōu)點(diǎn)、局限性和適用條件，通常單一處置方法難以獲得理想的治理結(jié)果，因此需要充分考慮采空區(qū)空間特征、圍巖巖性和分布特征等因素，因地制宜結(jié)合多種方法制定出高效、經(jīng)濟(jì)的治理方案。

5 礦山采空區(qū)充填技術(shù)

國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)充填法處置礦山采空區(qū)開(kāi)展了系統(tǒng)研究，取得了豐碩的成果，研究重點(diǎn)常用于采空區(qū)地表塌陷問(wèn)題的治理。按照充填物料是否含水可將充填法分為干式充填法和濕式充填法，各種方法的優(yōu)點(diǎn)和局限性見(jiàn)表7[4,7]。干式充填法由于充填體壓縮性大、治理效果較差，通常不用于礦山采空區(qū)治理，但在礦體規(guī)模較小的中小礦山及老礦山或建礦初期有所應(yīng)用；濕式充填法研究較多、應(yīng)用較廣，根據(jù)充填技術(shù)的不同又可將其分為水砂充填法和膠結(jié)充填法，其中膠結(jié)充填法是目前濕式充填法的主要技術(shù)。

表7 干式、濕式充填法特點(diǎn)[4,7]

5. 1 膠結(jié)充填法

膠結(jié)充填法是指將水泥、砂漿等膠凝類(lèi)材料作為黏結(jié)劑，以砂石、礫石以及塊石等惰性材料作為骨料支撐，經(jīng)過(guò)加水混合拌合形成膠結(jié)的充填漿體，以重力自流或管道泵機(jī)械壓力向采空區(qū)輸送和堆放，最后形成具有一定強(qiáng)度、自立性和整體性的充填體[8,61]。根據(jù)充填工藝的不同可將膠結(jié)充填法[7,62]劃分為分級(jí)尾砂膠結(jié)充填、全尾砂膠結(jié)充填、塊石砂漿膠結(jié)充填和膏體膠結(jié)充填等。其中，分級(jí)尾砂膠結(jié)充填較水砂充填的效果好，但尾砂利用率低、成本高且需要脫水，可能會(huì)造成井下污染；全尾砂膠結(jié)充填對(duì)尾砂的利用率高，達(dá)到95%以上，可有效解決充填料不足的問(wèn)題，但成本較高、脫水工藝復(fù)雜；塊石砂漿膠結(jié)充填的工藝簡(jiǎn)單、水泥用量少、成本較低，硬化后抗壓強(qiáng)度相較于尾砂膠結(jié)充填體能夠提高1～2倍[7-8,62]；膏體膠結(jié)充填是目前國(guó)內(nèi)外礦山應(yīng)用和研究的熱點(diǎn)，其具有固體利用率高、充填體強(qiáng)度大、接頂率高、污染較小等優(yōu)點(diǎn)，但是也存在充填系統(tǒng)投資高、充填料輸送難、維護(hù)管理復(fù)雜等缺點(diǎn)[7,57,62-63]。

總體而言，相對(duì)于非膠結(jié)充填，膠結(jié)充填具有填充量大、強(qiáng)度大、壓縮性低、充填速度快等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)是充填成本高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，膠結(jié)充填成本占采礦成本的1/3左右，水泥在膠結(jié)充填成本中約占30%～60%[9]。因此，在保證充填材料強(qiáng)度的情況下，開(kāi)發(fā)低成本、能部分或完全取代水泥的充填材料是膠結(jié)充填技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)[7-9,64]。

5. 2 新型充填膠凝材料

從環(huán)保、節(jié)約成本和固體廢物資源化的角度出發(fā)，陸續(xù)出現(xiàn)了一系列新型的膠結(jié)充填材料，比如粉煤灰、黏土、礦渣、尾礦和高水材料等[7-8,64]，可部分或完全代替水泥膠結(jié)材料。新型充填膠凝材料的特點(diǎn)和適用范圍，見(jiàn)表8[7-9,58-61,64-71]。其中，黏土水泥以能固化的黏土漿液為主要注漿材料，漿液固化后具有良好的抗震性能，適合強(qiáng)度要求低、有隔水要求的采空區(qū)[65-66]；粉煤灰水泥具有材料來(lái)源廣、耐腐蝕、流動(dòng)性好等優(yōu)點(diǎn)，是膏體膠結(jié)充填最常用的膠凝材料，適合強(qiáng)度要求較低、充水的各類(lèi)采空區(qū)[58-59,64]；赤泥基膠凝材料的化學(xué)組分與硅酸鹽水泥相似而且強(qiáng)度等各項(xiàng)指標(biāo)也比較接近，同時(shí)比水泥有更好的穩(wěn)定性，可用于非強(qiáng)酸環(huán)境的含水采空區(qū)[67-68]；高爐礦渣水泥、尾礦(砂)基膠凝材料是一種性能較穩(wěn)定的綠色膠凝材料，可以將工業(yè)廢渣進(jìn)行再利用，相較于水泥膠結(jié)充填成本更低，有著廣闊的應(yīng)用前景[8,69-70]；高水速凝充填材料具有很強(qiáng)的固水能力，可凝結(jié)87%～90%的水,當(dāng)水體積超過(guò)90%時(shí)，可稱(chēng)作超高水速凝充填材料，適用于低溫、封閉以及潮濕的各類(lèi)采空區(qū)[9,71]。

表8 新型充填膠凝材料的特點(diǎn)和適用范圍[7-9,58-61,64-71]

對(duì)于新型膠結(jié)充填材料的性能要求，主要有強(qiáng)度和流動(dòng)性?xún)煞矫?，由于骨料、膠凝材料以及配比的不同，最終產(chǎn)生充填體和漿料的各項(xiàng)力學(xué)指標(biāo)也有差異。對(duì)于強(qiáng)度指標(biāo)，不同礦山采空區(qū)對(duì)充填體的強(qiáng)度要求各不相同。各類(lèi)用于礦山采空區(qū)膠結(jié)充填的材料在養(yǎng)護(hù)齡期28 d時(shí)抗壓強(qiáng)度的范圍僅為2～4.5 MPa(見(jiàn)圖4)。實(shí)際工程中，采空區(qū)充填材料不存在強(qiáng)度最優(yōu)的配比，在滿(mǎn)足充填強(qiáng)度以及可泵性要求的條件下，應(yīng)采用最低成本的配比。另外，漿料的可泵性與塌落度有關(guān)，而固料的質(zhì)量濃度、灰砂比以及顆粒組成[60,72]均會(huì)對(duì)礦山采空區(qū)膠結(jié)充填材料塌落度產(chǎn)生影響(見(jiàn)圖5)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，塌落度在20 cm以上就可以進(jìn)行泵送，塌落度為24～28 cm可實(shí)現(xiàn)自流輸送[73-74]。為了提高尾礦砂的利用率，經(jīng)常會(huì)用強(qiáng)大的泵送設(shè)備對(duì)流動(dòng)性很差的高濃度尾砂充填材料進(jìn)行運(yùn)輸?？傮w而言，新型充填膠凝材料解決了傳統(tǒng)水泥膠結(jié)成本高、井下脫水困難、強(qiáng)度低且存在污染風(fēng)險(xiǎn)等問(wèn)題。對(duì)于充分利用黏土、尾礦等廢棄物開(kāi)發(fā)出來(lái)的新型充填膠凝產(chǎn)品，其最大優(yōu)勢(shì)就是可以就地取材，提高固體廢物的綜合利用率，還能很好地滿(mǎn)足降低成本、高性能等需求，但利用固體廢物開(kāi)發(fā)新型充填膠凝材料亦存在部分固體廢物沒(méi)有膠結(jié)能力以及對(duì)環(huán)境造成污染等問(wèn)題[62,68]。因此，如何高效激發(fā)和活化固體廢物、固定其污染成分是該類(lèi)膠凝材料的研發(fā)重點(diǎn)之一[7-8]。

圖4 養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)礦山采空區(qū)膠結(jié)充填材料抗壓強(qiáng)度 的影響Fig.4 Effect of curing time on compressive strength of cemented filling materials for mine goaf

圖5 各因素對(duì)礦山采空區(qū)膠結(jié)充填材料塌落度的影響Fig.5 Effect of various factors on the slump of cemented filling materials for mine goaf

6 礦山采空區(qū)治理未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

綜合上述我國(guó)礦山采空區(qū)治理現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題，本文對(duì)礦山采空區(qū)治理未來(lái)的發(fā)展方向進(jìn)行了展望，具體分析如下：

(1) 建立礦山采空區(qū)賦存情況數(shù)據(jù)庫(kù)。隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)廣泛應(yīng)用和5G時(shí)代的到來(lái)，加強(qiáng)相關(guān)建設(shè)生產(chǎn)部門(mén)的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)投入，以統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)建立礦山采空區(qū)賦存情況數(shù)據(jù)庫(kù)，可為后續(xù)的工程建設(shè)節(jié)約探測(cè)費(fèi)用，也將有助于政府對(duì)礦山采空區(qū)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化安全管理。

(2) 加大高濃度膠結(jié)充填技術(shù)的推廣。高濃度充填技術(shù)已在礦山采空區(qū)治理中有所應(yīng)用，諸如膏體充填[62-64]可將漿體濃度提高至80%以上，在大量消納礦山尾礦、廢石的同時(shí)，膏體固化形成的充填體強(qiáng)度大、接頂率高，能有效控制礦山采空區(qū)的圍巖移動(dòng)，以消除安全隱患。同時(shí)，高濃度膠結(jié)充填技術(shù)具有耗水量少、脫水率低、能顯著減少水資源的浪費(fèi)并降低水污染風(fēng)險(xiǎn)的優(yōu)勢(shì)，因此具有極大的推廣價(jià)值，是礦山采空區(qū)充填方法今后重點(diǎn)的研究方向。

(3) 建立并完善礦山采空區(qū)智能化處置系統(tǒng)[4]。在監(jiān)測(cè)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性、處理采空區(qū)的過(guò)程中，應(yīng)積極引入聲發(fā)射技術(shù)、光纖傳感技術(shù)[11]等監(jiān)測(cè)技術(shù)、人工智能系統(tǒng)以及自動(dòng)化裝備。利用人工智能系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)采集的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在對(duì)采空區(qū)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)的同時(shí)，提供合適的采空區(qū)處置方案并結(jié)合自動(dòng)化設(shè)備對(duì)施工的各環(huán)節(jié)進(jìn)行精細(xì)化調(diào)整，這將極大地減少操作人員的失誤與工作量，以實(shí)現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的精細(xì)化、智能化處置。

(4) 加大對(duì)低成本、多用途充填材料的研發(fā)力度。積極利用粉煤灰、煤矸石等礦山工業(yè)固體廢物，經(jīng)改性處理后，制備成低成本、能改善充填體性能的新型充填膠凝材料以替代水泥膠結(jié)材料，在降低充填成本、提高礦山采空區(qū)治理效果的同時(shí)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)固體廢物資源化、無(wú)害化的處置。此外,充填材料中可以加入具有一定特殊功能的材料，諸如拌合一定量的冰等能降低深部礦井溫度的蓄冷介質(zhì)[75]或石英砂石等利于地?zé)崮荛_(kāi)發(fā)的蓄熱材料[76]，從而擴(kuò)展充填材料的功能,以滿(mǎn)足礦山采空區(qū)治理的不同需求。

(5) 加大對(duì)礦山采空區(qū)地下空間資源的充分利用。礦山采空區(qū)的治理不僅能消除采空隱患、減少地面塌陷，而且隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化發(fā)展的不斷推進(jìn)，建設(shè)用地日益短缺，尤其在資源型地區(qū)，對(duì)采空區(qū)域地上、地下空間的開(kāi)發(fā)利用已成為我國(guó)工程建設(shè)的關(guān)注重點(diǎn)，因此礦山采空區(qū)治理對(duì)空間的合理利用極具現(xiàn)實(shí)意義。經(jīng)處理達(dá)到安全使用標(biāo)準(zhǔn)的礦山采空區(qū)能夠向地下擴(kuò)展人類(lèi)生產(chǎn)、娛樂(lè)等活動(dòng)空間，有助于緩解城市建設(shè)用地供給緊張的問(wèn)題，而且綜合其隱蔽性好、隔離性好、抗震性好、溫度穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可建立地下軍事基地、精密儀器實(shí)驗(yàn)室等地下構(gòu)筑物，用于確保國(guó)防、實(shí)驗(yàn)室等重要設(shè)施的安全。由于地下空間開(kāi)發(fā)形式多樣、不同城鎮(zhèn)對(duì)地下空間的需求不同，需要因地制宜合理開(kāi)發(fā)礦山采空區(qū)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)其空間資源的充分利用。

7 結(jié) 論

本文對(duì)我國(guó)礦山采空區(qū)治理研究現(xiàn)狀進(jìn)行了概括，系統(tǒng)總結(jié)了礦山采空區(qū)賦存類(lèi)型以及存在的安全問(wèn)題，歸納了礦山采空區(qū)治理過(guò)程所涉及的關(guān)鍵方法，包括采空區(qū)探測(cè)、采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)和采空區(qū)處置技術(shù)，重點(diǎn)闡述了礦山采空區(qū)充填技術(shù)方面的研究進(jìn)展，并對(duì)礦山采空區(qū)治理的信息化、智能化和無(wú)廢化等發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。主要得到以下幾點(diǎn)結(jié)論：

(1) 我國(guó)礦山采空區(qū)具有分布廣泛、數(shù)量巨大、類(lèi)型豐富等特點(diǎn)，不斷誘發(fā)的生產(chǎn)安全事故和生態(tài)環(huán)境災(zāi)難已嚴(yán)重影響到國(guó)民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展。目前，礦山采空區(qū)安全和治理問(wèn)題在各級(jí)政府的監(jiān)管下得到了有效控制，并在治理過(guò)程中綜合應(yīng)用了探測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)學(xué)和力學(xué)等理論知識(shí)，固體廢物資源化處置與礦山采空區(qū)治理的互補(bǔ)互惠也得到了長(zhǎng)足發(fā)展。

(2) 礦山采空區(qū)探測(cè)手段與采空區(qū)賦存情況、治理工程需求等因素密切相關(guān)，選擇經(jīng)濟(jì)、合理的探測(cè)手段意義明顯。礦山采空區(qū)勘探以工程物探技術(shù)為主，多種礦山物探技術(shù)的綜合勘測(cè)是最理想的物探方式。測(cè)繪手段中的三維激光掃描法提高了測(cè)量工作的安全性和精度，并能夠動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)礦山采空區(qū)的空間狀況，可為礦山安全開(kāi)采、采空區(qū)管理工作提供重要依據(jù)，具有良好的大規(guī)模工程應(yīng)用前景。

(3) 礦山采空區(qū)失穩(wěn)的動(dòng)力災(zāi)害是礦山采空區(qū)治理的核心問(wèn)題之一。綜合分析各類(lèi)影響因素與礦山采空區(qū)穩(wěn)定性的內(nèi)在聯(lián)系，并通過(guò)理論計(jì)算、模型預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)以及模擬法等現(xiàn)有的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法大多能有效解決目標(biāo)工程問(wèn)題，其中以數(shù)值模擬方法為基礎(chǔ)，綜合力學(xué)理論、預(yù)測(cè)技術(shù)建立的礦山采空區(qū)穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)體系能夠獲得相對(duì)全面、可靠的評(píng)價(jià)結(jié)果。

(4) 礦山采空區(qū)可通過(guò)崩落法、封閉隔離法、支撐加固法和充填法等進(jìn)行工程處置，其中充填法應(yīng)用范圍廣、處置效果好、對(duì)固體廢物利用率高，是處置礦山采空區(qū)的首選方法，但水泥的大量使用導(dǎo)致成本偏高。采用基于固體廢物的新型充填膠凝材料有望突破此局限，其在滿(mǎn)足膠結(jié)填充體力學(xué)性能的同時(shí)，可降低水泥用量和成本，也符合當(dāng)前“低碳”主題，是值得重點(diǎn)發(fā)展的方向之一。